Вопросы для самопроверки

1. Режим нейтрали электрической сети на напряжение 110 кВ.

2. Способ комбинированного заземления нейтрали.

3. Отличие сети с компенсированной нейтралью от сети с с изолированной нейтралью.

Лекция 14-15 Регулирование напряжения и компенсация реактивной мощности в электрических сетях

Под регулированием напряжения следует понимать комплекс мероприятий с применением технических средств по ограничению отклонений напряжений у потребителей электроэнергии в допустимых пределах. На промышленном предприятии регулирование напряжения может осуществляться следующими способами:

а) изменением добавочного напряжения U_д включением последовательно регулировочных трансформаторов или изменением коэффициента трансформации трансформаторов;

б) изменением продольной и поперечной составляющих падения напряжения (изменение реактивной составляющей полного тока нагрузки и индуктивного сопротивления сети) за счет регулирования потоков реактивной мощности в питающих и распределительных линиях электрической сети с помощью устройств компенсации (батарей конденсаторов, синхронных машин);

в) изменением напряжения в питающей сети энергосистемы путем изменения тока возбуждения генераторов, изменением схемы электрической сети (например, отключением одной из двух цепей для увеличения общего сопротивления линии).

И зменение добавочного напряжения с помощью включенных последовательно регулировочных трансформаторов (вольтодобавочных трансформаторов или линейных регуляторов) вследствие большой стоимости применяется в основном на подстанциях энергосистем, на предприятиях применяется лишь в преобразовательных агрегатах большой мощности. Изменение напряжения на шинах источника питания, приводящее к изменению напряжения на зажимах всех приемников электроэнергии, присоединенных к ним, называется централизованным регулированием напряжения и осуществляется по "закону встречного регулирования": в режимах максимальных нагрузок напряжение повышается не менее чем на 5% номинального напряжения сети, в режимах минимальных нагрузок поддерживается номинальное напряжение.

Трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой (РНП) имеют довольно большой диапазон регулирования - от ± 10 до ± 16%. Количество ступеней регулирования зависит от напряжения одной ступени, которое может иметь значение от 1,25 до 2,5%, регулирование напряжения осуществляется вручную или автоматически (устройства АРПН).

Трансформаторы с регулированием напряжения со снятием нагрузки ("переключение без возбуждения" - ПБВ) имеют диапазон регулирования ± 5 (10)% номинального напряжения, регулирование в основном осуществляется при сезонном изменении нагрузки (при переходе на зимний и летний графики).

Трансформаторы с РПН значительно дороже трансформаторов с ПБВ, поэтому в основном устройствами РПН оборудуются трансформаторы с высшим напряжением 35 кВ и более; применение трансформаторов с РПН на напряжении 6–10 кВ определяется технико-экономическим обоснованием (например, на электролизных, электротермических установках).

Одновременное регулирование напряжения на зажимах всех приемников электроэнергии целесообразно, если они однородны (электродвигатели насосных станций, цеха электролиза). В противном случае проводят анализ графиков нагрузки и объединяют приемники электроэнергии в однородные группы. Каждая группа подключается к отдельному трансформатору с РПН, обеспечивающему свой закон регулирования напряжения. Если сгруппировать приемники электроэнергии невозможно, регулирование напряжения производится по закону, определяемому преобладающей нагрузкой.

Уменьшение отклонения напряжения можно получить за счет уменьшения активного (увеличение сечения проводов и жил линий электрической сети) и реактивного (X = Х_l – Х_С) сопротивлений элементов системы электроснабжения. Уменьшение X достигается расщеплением фаз токопроводов, применением продольной емкостной компенсации. Наиболее эффективно комплексное регулирование, когда вместе с изменением коэффициента трансформации трансформаторов согласованно изменяется мощность компенсирующих устройств предприятия.

В электрических сетях промышленных предприятий реактивное со­противление в 10-30 раз больше активного, следовательно (рис. 10.7), значение напряжения на шинах нагрузки U₁ зависит от произведения QX,

Кривая I представляет собой зависимость U₁ =f(Q), она нелинейна, так как с увеличением потребления реактивной мощности из системы нелинейно увеличивается Х_l (реактивная мощность берется от все более удаленных электростанций). За счет устройства РПН трансформатора Т можно изменить напряжение U₁ (кривые II,III), не изменяя реактивной мощности Q, получаемой из системы.

При изменении реактивной нагрузки отношение Q/U, называемое коэффициентом крутизны K_k, различно на различных участках кривой зависимости U₁ =f(Q). Если на начальном участке отношение (Q₂ –Q₁)/U₁ равно 10, то оно постепенно уменьшается до значения (Q₄ – Q₃)/U₂, К_к « 1. Изменение коэффициента крутизны необходимо учитывать в устройствах автоматики РПН (на одно и то же изменение реактивной мощности добавка напряжения может быть разной).

Потребление реактивной мощности Q_н изменяется по статическим характеристикам Q_н = f(U₁). Кривая 1 представляет статическую ха­рактеристику нагрузки при заданном значении Q.

При понижении Q (включение БК) характеристика займет положение 2, при росте Q (отключение части БК) - положение 3,4 и т. д.

Пусть баланс и генерации реактивной мощности первоначально уста­навливаются в точке а пересечения характеристик I и 1. При росте нагрузки Q_н (кривая 3) пересечение характеристик произойдет в точке б, напряжение понизится на U₃. Устройством РПН трансформатора Т можно характеристику I перевести в положение II, точку пересечения в точку в, напряжение в этом случае повысится на 1,5–1,78% в соответствии с изменением ступени трансформации Т. Аналогичен переход в точку г. Регулируя Q_н на предприятии одновременно с изменением U_доб трансформатора, можно добиться постоянства напряжения U₁ при оптимальном значении перетока реактивной мощности от системы к рассматриваемому узлу.

Отдельные потребители электроэнергии имеют различную удаленность от центров питания, различные графики нагрузок, что приводит к несовпадению требований к регулированию напряжения. Поэтому применяется индивидуальное регулирование напряжения в отдельных точках сети или непосредственно на зажимах потребителей, называемое местным регулированием. Для этих целей используются управляемые источники реактивной мощности (синхронные двигатели и батареи кон­денсаторов), устройства, создающие добавку напряжения U_доб (линейные регуляторы и стабилизаторы напряжения).

При повышенных требованиях потребителей к качеству напряжения применяется устройство автоматического регулирования мощности конденсаторной батареи (АРКон), состоящее из измерительно-командного блока (измеряет уровень напряжения или тока и выдает команды на включение – отключение с выдержкой времени 1–3 мин различных секций БК).

Реактивная мощность в системах электроснабжения

Формально математическим определением реактивной мощности является выражение

(1)

Реактивная мощность является параметром режима, характеризующим интенсивность обмена электромагнитной энергией между элементами системы электроснабжения, обусловленного реактивными составляющими токов. В зависимости от знака фазы  и корня значение (1) может быть положительным или отрицательным. Это позволяет вьщелить источники и потребители реактивной мощности. Для элементов, в которых ток опережает напряжение, реактивная мощность отрицательная, и такие элементы являются источниками реактивной мощности. Реактивную мощность можно передавать по электрическим сетям. При ее передаче возникают потери. В системе электроснабжения в целом и для каждого узла в любой момент времени должен соблюдаться баланс: сумма поступающих в узел и отходящих от узла реактивных мощностей равна нулю.

Для генераторов и потребителей активной мощности существует объективный критерий классификации: в генераторах осуществляется преобразование энергии какого-либо вида в электрическую, а у потребителей - преобразование электрической энергии. Для реактивной мощности разделение на генераторы и потребители, определяемые знаком, в значительной степени условно. Активная мощность поступает в систему электроснабжения от 6УР и выходит из системы электроснабжения (преобразование энергии на 1УР). Реактивная мощность циркулирует в пределах системы электроснабжения, а производство и потребление реактивной мощности не связано с преобразованием энергии. Интегрирование реактивной мощности по времени не дает какой-либо существенно полезной величины.

Значение "реактивной энергии" не может быть использовано для оценки эффективности компенсации реактивной мощности. Баланс реактивной мощности должен выполняться для любого момента времени, а не в среднем за какой-либо период. Например, при недокомпенсации в период максимума нагрузки и перекомпенсации в период ми­нимума нагрузки можно добиться, чтобы "реактивная энергия" на 6УР за год равнялась нулю. Однако судить по этому факту об эффективности компенсации реактивной мощности с точки зрения электрики нельзя.

Реактивная энергия и вытекающий из нее средневзвешенный коэффициент мощности не отражают реальных закономерностей функционирования систем электроснабжения, поэтому использование соответствующих терминов не оправдано. Полезным назначением реактивных счетчиков, получивших распространение в системах электроснабжения, является возможность их использования для построения графиков реактивных нагрузок путем фиксации показаний счетчиков за достаточно малые промежутки времени (полчаса, час).

Реактивные мощности для каждой из симметричных составляющих режима являются независимыми величинами, объединенными только названием. Источники реактивной мощности в системе одной последо­вательности не могут компенсировать потребление реактивной мощности в системе другой последовательности (отличие от активной мощности). Аналогично источниками реактивной мощности для любой из высших гармоник нельзя компенсировать потребление реактивной мощности на другой гармонике. Отсюда следует вывод о недопустимости суммирования реактивных мощностей для симметричных и гармоничных составляющих.

Компенсирующие устройства должны выбираться по результатам расчетов симметричных и синусоидальных режимов. Затем рассчитываются дополнительные технико-экономические ограничения, связанные с возникновением несимметрии и несинусоидальности. Для этого нужны не значения реактивной мощности, а значения токов и напряжений симметричных и гармоничных составляющих. Обычно достаточно рас­считать напряжения обратной (иногда нулевой) последовательности основной частоты и напряжения. Когда обнаруживается недопустимость или экономическая нецелесообразность несимметричных (несинусоидальность) режимов, выявляются пути их нормализации. Надо стремиться использовать уже вы бранное по нормальным условиям работы оборудование, расширив область его использования. В частности, устройства симметрирования и снижения гармоник могут создаваться на базе тех же батарей, которые выбраны по условиям компенсации реактивной мощности в нормальных режимах.

Наиболее значительными потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели, электротермические установки, вентильные преобразователи. В балансе реактивных нагрузок потери реактивной мощности в элементах системы электроснабжения достигают 20%. Естественный коэффициент мощности электрических нагрузок различных промышленных предприятий изменяется в пределах cos _ест = = 0,7  0,9. Это означает, что промышленные предприятия потребляют реактивную мощность Q_р = (1,02  0,48) Р_р.

Способы обеспечения промышленных потребителей активной и ре­активной мощностью различаются. Если источниками активной мощности являются только генераторы электрических станций, то видов источников реактивной мощности больше. К ним относятся все виды синхронных машин (синхронные генераторы, электродвигатели и компенсаторы), батареи конденсаторов, емкостная проводимость воздушных и кабельных линий электропередачи.

Затраты на производство реактивной мощности генераторами электрических станций, как правило, ниже, чем затраты на производство реактивной мощности остальными источниками. Но передача реактивной мощности от шин электрических станций по сетям электрической системы и сетям промышленных предприятий приводит к дополнительным затратам, которые обусловлены увеличением:

1) потерь активной мощности и энергии в элементах сети, по которым передается реактивная мощность Q при напряжении U. Дополнительные потери активной мощности в элементе сети с активным сопротивлением R

(2)

2) потерь реактивной мощности в элементах сети, по которым она передается. Дополнительные потери в элементе с реактивным сопро­тивлением X, вызванные передачей реактивной мощности Q,

(3)

Увеличение потерь реактивной мощности требует увеличения мощ­ности ее источников;

3) пропускной способности элементов, которая определяется полной расчетной мощностью. В ряде случаев это может привести к увеличениюсечения проводников и номинальной мощности трансформаторов;

4) потерь напряжения в элементах сети. Дополнительные потери на­пряжения в элементе сети, вызванные передачей реактивной мощности Q, приближенно определяются так:

(4)

Увеличение потерь напряжения в сети может потребовать установки дополнительных средств регулирования напряжения.

Полные затраты на производство и передачу всей необходимой про­мышленному предприятию реактивной мощности от шин электрических станций в большинстве случаев значительно больше, чем затраты на производство реактивной мощности непосредственно в системе электроснабжения. Поэтому экономически целесообразно от генераторов электрических станций передавать часть реактивной мощности, а большую компенсировать на шинах (присоединениях) 5УР-2УР. Возникает задача выбора видов, мощности и мест размещения компен­сирующих устройств (источников реактивной мощности), обеспечивающих баланс реактивной мощности в режиме максимальных и минимальных нагрузок при минимуме суммарных затрат на производство и передачу реактивной мощности.

Технические характеристики источников реактивной мощности

Виды источников реактивной мощности различаются техническими и экономическими характеристиками, которые определяют область их рационального использования. Технические характеристики синхронных машин как источников реактивной мощности одинаковы для всех видов синхронных машин. Они представляют собой плавно регулируемый источник реактивной мощности. За счет изменения тока возбуждения можно обеспечить регулирование реактивной мощности по любому закону. Стоимость автоматических регуляторов возбуждения АРВ невелика.

Синхронные машины могут работать как в режиме генерации, так и в режиме потребления реактивной мощности. Различают режимы перевозбуждения (генерация реактивной мощности) и недовозбуждения (потребление реактивной мощности) синхронных машин.

Синхронные машины обладают хорошими статическими характери­стиками по реактивной мощности. Под статическими характеристиками понимают зависимость реактивной мощности от напряжения на вводах синхронной машины Q =f(U), снятую при достаточно медленных изменениях напряжения. При снижении напряжения до определенного уровня синхронные машины позволяют увеличивать генерацию реактив При глубоких (аварийных) снижениях напряжения у синхронных машин происходит автоматическая форсировки возбуждения, приводящая к существенному увеличению генерации реактивной мощности.

Синхронные машины обладают хорошими динамическими характери­стиками по реактивной мощности, отражающими реакцию синхронной машины по реактивной мощности на колебания напряжения в электрической сети. У синхронных машин колебания напряжения вызывают изменения реактивной мощности, которые находятся в противофазе с изменением реактивной мощности таких потребителей. В результате синхронные машины сглаживают график реактивной мощности и способствуют уменьшению колебаний напряжения. Синхронные машины малочувствительны к изменению такого показателя качества электрической энергии, как не синусоидальность напряжения, поэтому могут использоваться в качестве источника реактивной мощности в электрических сетях, питающих мощные вентильные преобразования.

Батареи конденсаторов являются нерегулируемыми или ступенчато-регулируемыми источниками реактивной мощности. Батарею необходимо разделять на секции, каждую из которых следует подключать через отдельный коммутационный аппарат. Батареи конденсаторов способны только генерировать (но не потреблять) реактивную мощность, они обладают плохими статическими и динамическими характеристиками по реактивной мощности. Генерация реактивной мощности батарей конденсаторов емкостью С, подключенной к электрической сети напряжением U, составляет

(6)

Пропорциональность квадрату напряжения ведет к тому, что при снижении напряжения на 10% генерация реактивной мощности уменьшается на 19%. Режим с пониженным напряжением в сети характеризуется дефицитом реактивной мощности, который еще более возрастает из-за уменьшения ее генерации батареями конденсаторов. Батареи конденсаторов чувствительны к не синусоидальности напряжения в сети. При несинусоидальном напряжении конденсаторы перегружаются токами высших гармоник, что приводит к сокращению срока их службы. Батареи конденсаторов могут увеличивать несинусоидальность напряжения в сети из-за возможности резонанса токов на одной из высших гармоник. В отличие от синхронных машин батареи конденсаторов являются статическими (невращающимися) источниками реактивной мощности. Они бесшумны в работе и более просты в эксплуатации.

Существенная генерация реактивной мощности емкостной проводи­мостью линий электропередачи ощущается только в сетях высокого напряжения (свыше 220 кВ). Однако передавать ее промышленным по­требителям экономически нецелесообразно. В сетях электроснабжения промышленных предприятий генерация реактивной мощности емкостной проводимостью не превышает нескольких процентов потребления. Поэтому емкостная проводимость линий системы электроснабжения промышленных предприятий не может рассматриваться как существенный источник реактивной мощности.

Выбор компенсирующих устройств на основе нормативных документов

Вопросы компенсации реактивной мощности регламентируются, но на начальной стадии проектирования определяются лишь суммарные расчетные активная и реактивная мощности электрических нагрузок предприятия при естественном коэффициенте мощности с учетом ожи­даемых потерь мощности в элементах системы электроснабжения: Р_р и Q_р. Наибольшая суммарная реактивная мощность предприятия в период максимума нагрузок в электрической системе определяется по формуле

где k_нс – коэффициент, учитывающий несовпадение по времени наи­большей активной нагрузки в электрической системе и реактивной мощности предприятия и принимаемый по отраслям промышленности.

Значения реактивной Q_max и активной Р_р нагрузок сообщаются в энергосистему для определения экономически обоснованной реактивной мощности, которую можно передать предприятию в режимах наибольшей и наименьшей активных нагрузок энергосистемы (соответственно Q_э1 и Q_э2). По реактивной мощности Q_э1 определяется суммарная мощность компенсирующих устройств предприятия, а по мощности Q_э2 – регулируемая часть компенсирующих устройств.

Суммарная мощность компенсирующих устройств Q_к определяемая из баланса реактивной мощности на 6УР в период наибольшей активной нагрузки электрической системы,

Для промышленного предприятия с присоединенной мощностью менее 750 кВА значение мощности компенсирующих устройств Q_к задается непосредственно электрической системой и является обязательным при выполнении проекта системы электроснабжения мини-предприятия.

При выборе средств компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения промышленных предприятий в зависимости от состава их нагрузки различают две группы промышленных сетей:

1. общего назначения с синусоидальным и симметричным режимом;

2. со специфическими нелинейными, несимметричными и резкопере - менными нагрузками.

В сетях общего назначения в качестве средств компенсации исполь­зуются батареи конденсаторов до 1 кВ и выше и синхронные электро­двигатели. В сетях со специфическими нагрузками кроме указанных применяются фильтрокомпенсирующие устройства, симметрирующие и фильтросимметрирующие устройства, устройства динамической компенсации с быстродействующими системами управления и специальные быстродействующие синхронные компенсаторы.

Распределение найденной суммарной мощности компенсирующих устройств Q_к по уровням системы энергоснабжения осуществляется по критерию минимума суммарных расчетных затрат на производство и передачу реактивной мощности. Теоретической базой такого распределения могут служить оптимизационная модель задачи и изложенные общие закономерности компенсации реактивной мощности.

Электрические сета 2УР наиболее удалены от источников электроэнергии, и к ним подключается большая часть приемников 1УР, потреб­ляющих реактивную мощность. Коэффициент мощности нагрузки до 1 кВ не превышает 0,7–0,8. Выбор мощности компенсирующих устройств для 2УР, ЗУР (в основном батарей конденсаторов) производится совместно с выбором числа и мощности трансформаторов цеховых подстанций. Первоначальным ориентиром для выбора компенсирующих устройств до 1 кВ может служить тангенс угла суммарной расчетной мощности предприятия после компенсации реактивной мощности.

При условии постоянства тангенса угла мощность компенсирующих устройств Q_к.н определяется отношением

(26)

где Р_н и Q_н - суммарная расчетная активная и реактивная мощности низковольтных потребителей электроэнергии.

Если за счет дополнительных компенсирующих устройств по срав­нению с определенными по формуле (26) удается уменьшить число трансформаторов цеховых ТП, то это всегда экономически оправдано. В других случаях мощность компенсирующих устройств определяется с учетом полного использования выбранных трансформаторов цеховых подстанций. Суммарная мощность батарей конденсаторов до 1 кВ, раз­деляемая между отдельными трансформаторами цеха, пропорциональна их реактивным нагрузкам.

После выбора компенсирующих устройств в электрических сетях до 1 кВ суммарная мощность компенсирующих устройств для 4УР

в сети 6-10 кВ Q _к.в определяется однозначно:

Мощность Q_к.в необходимо распределить по видам компенсирующих устройств (синхронные двигатели или батареи конденсаторов) и местам их присоединения. Основой для такого распределения являются оптимизационные технико-экономические расчеты по критерию минимума суммарных расчетных затрат.

Предлагаются следующие практические рекомендации: 1) син­хронные двигатели с частотой вращения ротора 1000 об/ мин и более и мощностью Р_ном  1000 кВт, как правило, экономически целесообразно полностью использовать в качестве источников реактивной мощности; 2) синхронные двигатели с частотой вращения ротора до 375 об/мин экономически нецелесообразно использовать в качестве источников реактивной мощности. Рекомендуется для таких двигателей режим при cos = 1; 3) синхронные двигатели с частотой вращения ротора 750 и 500 об/мин экономически оправданно использовать в качестве источников реактивной мощности на 30-70%, причем большая нагрузка по реактивной мощности соответствует двигателям большей номинальной мощности; 4) суммарная мощность высоковольтных батарей конденсаторов определяется разностью между мощностью компенсирующих устройств в сети 6-10 кВ и экономически оправданной реактивной мощностью высоковольтных синхронных двигателей.